Wstęp
Transkrypt
Wstęp
Notatki Fizyka – Wstep ˛ dr inż. Ireneusz Owczarek CNMiF PŁ [email protected] http://cmf.p.lodz.pl/iowczarek 1 dr inż. Ireneusz Owczarek Wstep ˛ Fizyka – Wstep ˛ Z karty przedmiotu Formy zajeć ˛ Wykład 10 Notatki Ćwiczenia 10 Laboratorium 10 Suma w semestrze 30 Cele przedmiotu Umożliwienie zdobycia wiedzy w zakresie opisu zjawisk fizycznych zachodzacych ˛ zarówno w środowiskach naturalnych, jak i spotykanych w technice oraz w zakresie podstawowych praw z wybranych działów fizyki. Kształtowanie umiejetności ˛ rozwiazywania ˛ podstawowych zadań z wybranych działów fizyki. Umożliwienie zdobycia umiejetności ˛ obsługi podstawowego sprz˛etu laboratoryjnego, opracowywania wyników i prezentowania ich w postaci raportu. 2 dr inż. Ireneusz Owczarek Wstep ˛ Fizyka – Wstep ˛ Z karty przedmiotu Efekty kształcenia Notatki Umiejetności ˛ i kompetencje Student potrafi: Wiazać ˛ zjawiska przyrodnicze i działanie urzadze ˛ ń technicznych z określonymi prawami fizyki. Wykorzystywać matematyk˛e jako narz˛edzie opisu wybranych zjawisk fizycznych. Rozwiazywać ˛ proste zadania rachunkowe w sposób logiczny i przejrzysty. Obsługiwać w podstawowym zakresie wybrany sprz˛et laboratoryjny. Wykorzystywać odpowiednie metody opracowania wyników eksperymentu i dokonywać ich ewaluacji. 3 dr inż. Ireneusz Owczarek Wstep ˛ Fizyka – Wstep ˛ Z karty przedmiotu Program Notatki Treści merytoryczne i formy zaliczenia 1 Elementy fizyki jadrowej ˛ i kwantowej. 2 Fizyczna zasada działania masera i lasera. 3 Zjawisko nadprzewodnictwa. Sprawdzenie osiagni ˛ eć ˛ efektów kształcenia Wykład – Pisemne kolokwium z omawianych zagadnień. Ćwiczenia – Pisemne kolokwium z zadań. Laboratorium – pisemne sprawozdania, jeden sprawdzian ustny, praca podczas zajeć. ˛ Ocena końcowa jest średnia˛ ważona˛ z ocen: 60% – kolokwia z ćwiczeń i wykładów, 40% – laboratorium (opracowanie wyników -24%, odpowiedź - 12% i aktywność - 2% ). 4 dr inż. Ireneusz Owczarek Fizyka – Wstep ˛ Wstep ˛ Z karty przedmiotu Literatura podstawowa Notatki Kania S. Wykłady z fizyki cz. 1 i 2. Wydawnictwo PŁ, Łódź 2012. Halliday D., Resnick R, Walker J. Podstawy Fizyki t. 1-5. PWN, Warszawa 2005. Orear J. Fizyka t. I i II. WNT, Warszawa 1994. Sawieliew I. W. Wykłady z fizyki t. I-III. PWN, Warszawa 1994. Strona internetowa prowadzona przez CMF PŁ http://cmf.p.lodz.pl/efizyka e-Fizyka. Podstawy fizyki. Kakol ˛ Z. Żukrowski J. http://home.agh.edu.pl/˜kakol/wyklady_pl.htm Wykłady z fizyki. 5 dr inż. Ireneusz Owczarek Wstep ˛ Fizyka – Wstep ˛ Jak uczyć sie˛ fizyki? Obciażenie ˛ praca˛ studenta Notatki Systematyczna nauka na długo przed egzaminem i regularne powtarzanie – to rzadko praktykowany sposób przygotowania do egzaminu. W jaki sposób uczyć sie˛ fizyki? zrezygnować z uczenia sie˛ fizyki na pamie˛ ć!!!, poprawić umiejetno ˛ ści matematyczne, jeśli sa˛ one niewystarczajace, ˛ uczyć sie˛ wzorów fizycznych poprzez analiz˛e zagadnienia. Ogólne zasady uczenia sie˛ fizyki 1 Systematyczność. 2 Operatywność. 3 Posługiwanie sie˛ wyobraźnia. ˛ Zadawajcie pytania! Możecie zadawać pytania w każdym momencie. 6 dr inż. Ireneusz Owczarek Fizyka a rozwój nauki i techniki Fizyka – Wstep ˛ Nowe materiały CIEKAWOŚĆ na Marsie! Notatki 6 sierpnia (2012) o godzinie 7:31 powierzchni Czerwonej Planety dotknał˛ najpoteżniejszy ˛ z badajacych ˛ ja˛ łazików (CURIOSITY). Wyposażony w 10 instrumentów badawczych, w tym: działko laserowe ze spektrometrem przeprowadzajacym, ˛ na odległość, analiz˛e składu chemicznego, wiertło do drażenia ˛ dziur w glebie, ramie˛ zbierajace ˛ próbki gleby i skał, nuklearny reaktor termoelektryczny (4,8 kg 238 94 P u). 7 dr inż. Ireneusz Owczarek Fizyka a rozwój nauki i techniki Fizyka – Wstep ˛ Nowe materiały Nobel (2009) za żonglowanie światłem Nagrodzono pionierów obecnego świata informacji i obrazu. Naukowców, którzy wynaleźli matryce˛ CCD (stosowana˛ w fotografii cyfrowej) i zrewolucjonizowali przesyłanie bitów za pomoca˛ szklanych autostrad. Charles K. Kao, George E. Smith i Willard S. Boyle 8 dr inż. Ireneusz Owczarek Fizyka – Wstep ˛ Notatki Fizyka a rozwój nauki i techniki Nowe materiały Nobel (2010) za cudowny materiał – Andre Geim, Konstantin Nowoselow Notatki Grafen – weglowy ˛ plaster o grubości atomu – posiada wielka˛ wytrzymałość, dzieki ˛ niezwykle silnym wiazaniom ˛ miedzy ˛ atomami wegla ˛ – świetnie przewodzi prad. ˛ Nadzieja elektroniki, motoryzacji, energetyki, medycyny. To materiał, który w elektronice zdetronizuje krzem: Bardzo dobry przewodnik ciepła – zmierzona przewodność cieplna wynosi od 4840 do 5300 W/mK (srebro – 429 W/mK), Posiada niewielka˛ rezystancje, ˛ Jest niemal całkowicie przezroczysty (pochłania tylko 2,3 % światła), Jest ponad 100 razy mocniejszy niż stal, a zarazem tak elastyczny, że można go bez szkody rozciagn ˛ ać ˛ o 20 %. 9 dr inż. Ireneusz Owczarek Fizyka a rozwój nauki i techniki Fizyka – Wstep ˛ Nowe materiały Grafen Notatki Dr Włodzimierz Strupiński z Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych (ITME) stworzył technologie˛ produkcji grafenu najwyższej jakości, a ITME znalazł sie˛ na liście najważniejszych ośrodków zajmujacych ˛ sie˛ grafenem, obok laboratoriów IBM, MIT, Samsunga. Inne właściwości Grafenu Grubość: 0,34 nm – milion razy cieńszy niż kartka papieru. Waga: jeden 1 km2 grafenu waży 757 g – lekki jak piórko. Twardość: porównywalna z twardościa˛ diamentu. Przewodność elektryczna: miliard razy wyższa niż przewodność domieszkowanego krzemu w chipach komputerowych. 10 dr inż. Ireneusz Owczarek Fizyka a rozwój nauki i techniki Fizyka – Wstep ˛ Nowe materiały Nobel za kwanty pod kontrola˛ (2012) Notatki Nagroda za ujarzmienie kwantowego mikroświata – bedzie ˛ można stworzyć bardziej precyzyjne zegary i kwantowe komputery. David J. Wineland Serge Haroche Konstrukcje tzw. wnek ˛ rezonansowych dla fotonów i pułapek elektromagnetycznych dla jonów. 11 dr inż. Ireneusz Owczarek Podstawowe pojecia ˛ Fizyka – Wstep ˛ Co to jest fizyka? Definicje Notatki Fizyka (z greckiego physiké - natura) zajmuje sie˛ badaniem materii oraz zjawiskami zachodzacymi ˛ w przyrodzie. Wg Alberta Einsteina To proste, mój przyjacielu: ponieważ polityka jest trudniejsza od fizyki. Wg Alberta Einsteina To, co nazywamy fizyka, ˛ obejmuje cała˛ grupe˛ nauk przyrodniczych, które opieraja˛ swe teorie na pomiarach i których idee i twierdzenia daja˛ sie˛ sformułować za pomoca˛ matematyki. Wg Richarda Feynmana Fizyka jest jak seks: pewnie, że może dawać jakieś praktyczne rezultaty, ale nie dlatego to robimy. 12 dr inż. Ireneusz Owczarek Fizyka – Wstep ˛ Podstawowe pojecia ˛ Co to jest fizyka? Fizyka – nauka eksperymentalna Notatki Zjawiska fizyczne zachodza˛ w klasycznej przestrzeni i czasie: Przestrzeń euklidesowa (kartezjański układ współrz˛ednych). Czas absolutny. Pierwszym etapem jest opisywanie rzeczywistości (Jak?). 1 Obserwacja zjawisk zachodzacych ˛ w przyrodzie zwiazana ˛ jest z pomiarem przy użyciu odpowiednich przyrzadów. ˛ 2 Uzyskuje sie˛ wyniki w postaci zbioru liczb rzeczywistych. 3 Ograniczenia pomiarowe: dokładność – każdy pomiar obarczony błedem, ˛ zakres – fizyczny sens wielkości (np. rozmiar i wiek Wszechświata, skończona predkość ˛ światła, zero bezwzgledne). ˛ Drugi etap poznawania to wyjaśnienie (Dlaczego?). 13 dr inż. Ireneusz Owczarek Podstawowe pojecia ˛ Fizyka – Wstep ˛ Wielkości fizyczne i ich jednostki Wielkości i prawa fizyczne Notatki Prawo fizyczne opisuje zależności miedzy ˛ wielkościami fizycznymi, opisuje wyniki przeprowadzonych badań, uogólnia zwiazki ˛ miedzy ˛ wielkościami fizycznymi. Zasada fizyki to każde prawo fizyczne, które opisuje typ zależności uniwersalnych powszechnie wystepuj ˛ acych ˛ w przyrodzie tj. niezależnie od jej warstwy czy natury zjawisk. Wielkości fizyczne to mierzalne cechy czy właściwości obiektów zdarzeń, zjawisk i procesów. 14 dr inż. Ireneusz Owczarek Podstawowe pojecia ˛ Fizyka – Wstep ˛ Wielkości fizyczne i ich jednostki Typy wielkości fizycznych Notatki Skalar to wielkość fizyczna lub geometryczna określana jedna˛ liczba, ˛ np. masa, pole powierzchni. 15 dr inż. Ireneusz Owczarek Podstawowe pojecia ˛ Fizyka – Wstep ˛ Wielkości fizyczne i ich jednostki Typy wielkości fizycznych . . . Notatki Wektor to skierowany odcinek o zwrocie określonym przez kolejność punktów. Tensor to uogólnione pojecie ˛ wektora i skalara. Używa sie˛ go do opisu np. odkształceń w ośrodkach, zachowania sie˛ bryły sztywnej, w teorii pola (np. w ogólnej teorii wzgledności ˛ Einsteina) itd. 16 dr inż. Ireneusz Owczarek Fizyka – Wstep ˛ Podstawowe pojecia ˛ Jednostki w układzie SI Podstawowe jednostki w układzie SI Notatki System International d’Unites został uchwalony na XI Generalnej Konferencji Miar w 1960 roku. Jednostki podstawowe metr kilogram sekunda amper kelwin mol kandela Symbol m kg s A K mol cd oraz Jednostki uzupełniajace ˛ radian steradian 17 dr inż. Ireneusz Owczarek Podstawowe pojecia ˛ Symbol rad sr Fizyka – Wstep ˛ Jednostki w układzie SI Definicje wybranych jednostek Notatki Metr to odległość, która˛ w próżni przebywa światło w czasie 1/299 792 458 s. Kilogram jest to masa wzorca – walca platyno-irydowego. Sekunda jest równa 9 192 631 770 okresom przejścia pomiedzy ˛ podpoziomami F=3 i F=4 struktury nadsubtelnej poziomu podstawowego 2S1/2 atomu 133 Cs znajdujacego ˛ sie˛ na poziomie morza. 18 dr inż. Ireneusz Owczarek Podstawowe pojecia ˛ Fizyka – Wstep ˛ Jednostki w układzie SI Porównanie wielkości fizycznych 19 dr inż. Ireneusz Owczarek Podstawowe pojecia ˛ Notatki Fizyka – Wstep ˛ Podstawowe stałe fizyczne Parametry życiowe naszego Wszechświata Nasz Wszechświat tak jak ludzie ma kilka liczb, które określaja˛ jego nature, ˛ temperature, ˛ wiek, witalność, a nawet ... płodność. Nawet drobna zmiana w wartościach stałych fizycznych lub w prawach natury sprawiłyby, że powstałby świat nieprzyjazny dla życia. Przykłady: Gdyby siły jadrowe ˛ zwiaż ˛ a˛ ze soba˛ protony i neutrony w jadrze ˛ atomowym były słabsze, Wszechświat wypełniałby jedynie wodór. Jadra ˛ cieższych ˛ pierwiastków – tlenu lub wegla ˛ – nigdy by nie powstały. I nie powstałoby życie, jakie znamy. Gdyby siły jadrowe ˛ były silniejsze, to w pierwszych minutach po Wielkim Wybuchu cały wodór zamieniłby sie˛ w hel. I życia też by nie było. 20 dr inż. Ireneusz Owczarek Fizyka – Wstep ˛ Notatki Podstawowe pojecia ˛ Podstawowe stałe fizyczne Parametry życiowe naszego Wszechświat . . . Notatki Jeśliby zestaw stałych fizycznych był nieco inny, to powstałyby jakieś światy istniejace ˛ dłużej niż ułamek sekundy, ale niemal na pewno nie byłoby w nich istot, które mogłyby je podziwiać. Stała grawitacji G = 6,673 84(80) · 10−11 m3 , kg s2 liczbowo jest równa sile grawitacji jaka˛ na siebie działaja˛ dwa ciała o masie 1 kg każde z odległości 1 m. Gdyby ta stała miała wieksz ˛ a˛ wartość, to tworzyłyby sie˛ gwiazdy o wiele wieksze ˛ od Słońca, które szybko sie˛ spalaja. ˛ Umieraja˛ w gwałtownym wybuchu supernowej, zmiatajac ˛ w podmuchu eksplozji całe swe otoczenie. Z kolei gdyby grawitacja była słabsza, niż jest, zmalałaby liczba supernowych. Tymczasem wybuchy supernowych rozsiewaja˛ w przestrzeni miedzygwiezdnej ˛ pierwiastki cieższe ˛ od wodoru i helu, które sa˛ budulcem planet i organizmów. 21 dr inż. Ireneusz Owczarek Fizyka – Wstep ˛ Podstawowe pojecia ˛ Podstawowe stałe fizyczne Parametry życiowe naszego Wszechświata . . . Notatki Predkość ˛ światła to predkość ˛ rozchodzenia sie˛ fali elektromagnetycznej w próżni c = 299 792 458 m , s nie zależy od cz˛estości fali, ani układu odniesienia. Temperatura zera bezwzglednego ˛ jest teoretyczna˛ granica˛ do jakiej można ochłodzić układ termodynamiczny (wg trzeciej zasady termodynamiki). Temperatura zera bezwzglednego ˛ to temperatura w termodynamicznej skali temperatur – skali niezależnej od zastosowanej substancji termometrycznej −273,15 ◦ C = 0 K, w której zanikaja˛ wszelkie drgania czasteczek ˛ i wszystkie elementy układu termodynamicznego uzyskuja˛ najniższa˛ z możliwych energii. Spowalniajac ˛ atomy za pomoca˛ laserów, można chłodzić taki układ atomów do temperatury zaledwie 10−6 K. 22 dr inż. Ireneusz Owczarek Fizyka – Wstep ˛ Podstawowe pojecia ˛ Podstawowe stałe fizyczne Parametry życiowe naszego Wszechświata . . . Notatki Liczba Avogadra NA = 6,022 141 29(27) · 1023 mol−1 , liczbowo równa liczbie atomów, czasteczek ˛ lub innych czastek ˛ materii zawartych w jednym molu tej materii. Uniwersalna stała gazowa J , mol · K nie zależy od rodzaju gazu (dla każdego gazu jest jednakowa). R = 8,314 462 1(75) 23 dr inż. Ireneusz Owczarek Fizyka – Wstep ˛ Podstawowe pojecia ˛ Podstawowe stałe fizyczne Parametry życiowe naszego Wszechświata . . . Stała Boltzmanna kB = 1,380 648 8(13) · 10−23 J eV = 8,617 332 4(78) · 10−5 . K K Trudniej o porzadek ˛ niż o chaos (jest tylko jedno właściwe uporzadkowanie ˛ i setki metod na zrobienie “bałaganu”). Stała Boltzmanna ujmuje ilościowo te˛ zależność. Stała Plancka h = 6,626 069 57(29) · 10−34 Js = 4,135 667 516(91) · 10−15 eV · s. Stała Diraca h 2π Js = 6,582 119 15(56) · 10−16 eV · s, ~= −34 ~ = 1,054 571 68(18) · 10 jest kwantem momentu pedu, ˛ a wiec ˛ tym samym i spinu. Uważana za stała˛ bardziej podstawowa˛ niż sama stała Plancka. 24 dr inż. Ireneusz Owczarek Fizyka – Wstep ˛ Notatki Podstawowe pojecia ˛ Podstawowe stałe fizyczne Stałe fundamentalne Notatki Naprawde˛ fundamentalne stałe sa˛ bezwymiarowe, gdyż jednostki zależa˛ od wymiarów określonych przez człowieka. Określaja˛ one wzgledne ˛ nateżenie ˛ poszczególnych oddziaływań podstawowych, zależnych od wielkości charakteryzujacych ˛ dane oddziaływanie. Stała struktury subtelnej e2 1 ≈ , ~c 137 charakteryzujaca ˛ siłe˛ oddziaływań elektromagnetycznych. α= Iloraz masy elektronu do masy protonu β= m 1 ≈ . Mp 1836 Stała charakteryzujaca ˛ oddziaływania silne s1 = 25 masa mezonu π ≈ 0,15. masa protonu dr inż. Ireneusz Owczarek Model Standardowy Fizyka – Wstep ˛ Rodzaje czastek ˛ elementarnych Wszystkie czastki ˛ Wszechświata Notatki Symetria – główna idea współczesnej fizyki czastek ˛ elementarnych. Model Standardowy (MS) jest jedna˛ z najważniejszych teorii współczesnej fizyki. Zakłada sie, ˛ że istnieja˛ dwa rodzaje czastek ˛ elementarnych: czastki ˛ które sa˛ materia˛ (jak elektrony, protony, neutrony i kwarki). Fermiony sa˛ podstawowymi elementami budujacymi ˛ materie., ˛ czastki ˛ które przenosza˛ oddziaływania (fotony, bozony W − , W + , Z 0 i gluony różniace ˛ sie˛ kolorem, tj. ładunkiem silnym). 26 dr inż. Ireneusz Owczarek Model Standardowy Fizyka – Wstep ˛ Rodzaje czastek ˛ elementarnych Jakie sa˛ najmniejsze składniki materii? Notatki Kwarki nie moga˛ wystepować ˛ samodzielnie i sa˛ uwiezione ˛ w hadronach (nukleony, hiperony lub mezony ). 27 dr inż. Ireneusz Owczarek Model Standardowy Fizyka – Wstep ˛ Rodzaje czastek ˛ elementarnych Trwaja˛ poszukiwania czastki ˛ Higgsa? MS przewiduje też istnienie czastki, ˛ która oddziałujac ˛ z innymi czastkami ˛ nadaje im mase˛ — jest to bozon Higgsa. Czy wreszcie ja˛ odkryto w ośrodku CERN (Wielki Zderzacz Hadronów) pod Genewa? ˛ Potencjał pola Higgsa, nazywany jest czasem "El Sombrero". 28 dr inż. Ireneusz Owczarek Fizyka – Wstep ˛ Notatki Model Standardowy Rodzaje czastek ˛ elementarnych Czy złamano testament Nobla? Notatki Nagrode˛ Nobla z fizyki w 2013 podziela˛ miedzy ˛ siebie Francois Englert i Peter W. Higgs za wyjaśnienie mechanizmu, dzieki ˛ któremu podstawowe składniki materii – czastki ˛ elementarne – nabieraja˛ masy. Zgodnie z testamentem Alfreda Nobla nagradzane miały być tylko odkrycia majace ˛ praktyczne znaczenie dla ludzkości. Nauka jest owocem naszej potrzeby odkrywania i eksploracji. To, że przy okazji zawojowaliśmy świat, powstały narz˛edzia i wynalazki, bez których dziś nie wyobrażamy sobie życia, to tylko skutek uboczny. 29 dr inż. Ireneusz Owczarek Model Standardowy Fizyka – Wstep ˛ Prostota praw fizyki Teoria Wielkiej Unifikacji Oddziaływań Notatki Oddziaływanie elektromagnetyczne polega na wymianie miedzy ˛ czastkami ˛ naładowanymi elektrycznie pośredniczacego ˛ fotonu. Zmienne pole elektromagnetyczne rozprzestrzenia sie˛ w postaci fali elektromagnetycznej. Kwantem oddziaływania elektromagnetycznego jest foton. Oddziaływanie silne łacz ˛ ace ˛ kwarki w hadrony, przenoszone jest przez osiem rodzajów gluonów (o zerowej masie spoczynkowej). Sposób oddziaływania (rodzaj gluonu) oznaczany jest właściwościa˛ nazywana˛ kolorem gluonu. Oddziaływanie słabe to oddziaływanie, w którym uczestnicza˛ wszystkie czastki ˛ z wyjatkiem ˛ fotonu (i grawitonu). Jest odpowiedzialne za rozpad β i zwiazan ˛ a˛ z nim radioaktywność. 30 dr inż. Ireneusz Owczarek Model Standardowy Fizyka – Wstep ˛ Prostota praw fizyki Teoria Wielkiej Unifikacji Oddziaływań . . . Notatki Oddziaływania przenoszone sa˛ przez specjalne czastki ˛ i polega na wytworzeniu lub pochłonieciu ˛ czastki ˛ przenoszacej ˛ oddziaływanie. Własności Źródło Nośnik Zasieg ˛ Wzgledna ˛ siła Słabe wszystkie czastki ˛ W −, W +, Z0 10−18 m 10−6 Silne hadrony gluony 10−15 m 1 Elektro-magn. ładunki foton (γ) ∞ 1 137 Grawitacyjne masa grawiton ∞ 10−39 Stała struktury subtelnej α= e2 1 ≈ . 4π0 ~c 137 MS dobrze opisuje oddziaływania, jednak nie uwzglednia ˛ oddziaływania grawitacyjnego. Ma wady: ok. 20 wolnych parametrów o nie znanych wartościach, czastka ˛ Higgsa nie została odkryta?! Strategia na najbliższa˛ przyszłość to: znaleźć czastk˛ ˛ e Higgsa lub wykluczyć jej istnienie (ok. 1 TeV), poszukiwać nowych czastek ˛ (od 50 GeV do 5 TeV). 31 dr inż. Ireneusz Owczarek Fizyka – Wstep ˛ Notatki
Podobne dokumenty
Pole grawitacyjne
Gdy dwa ciała o masach odpowiednio równych M i m znajduja˛ sie˛ w odległości r od siebie, wówczas ich energia potencjalna zwiazana
Bardziej szczegółowoPole grawitacyjne Plan wykładu Definicje Rodzaje pól
Wstep ˛ do analizy matematycznej i wybranych zagadnień z fizyki. Wydawnictwo PŁ, Łódź 2007.
Bardziej szczegółowo